圆管的弯曲刚度和强度分析

根据材料力学的基本理论, 分析了圆棒和圆管的弯曲刚度, 选择圆管较佳的内外径之比为0.7, 在两者质量相同的条件下, 得出圆管的截面刚度是圆棒的3倍. 在两者外径相同条件下, 得出圆管的质量只有圆棒质量的1/2, 其截面刚度却是圆棒的3/4倍. 根据弹塑性的基本原理, 分析比较了空心圆管与内部充液密封圆管的屈服应力σ_s, 由于液体的不可压缩性和材料的应变硬化效应, 增大了充液圆管的屈服应力σ_s, 而使其弯曲强度增大. 由于弹复效应, 在动态承载情况下, 增大了承受冲击载荷的能力. 由于液体压强处处相等, 而且垂直作用于圆管内表面, 缓解了因扁化造成的局部应力集中, 增大了抵抗屈曲能力.     

曲面零件连续辊压成形原理及理论分析

连续辊压成形是一种全新的三维曲面零件成形方法,以一对可弯曲的成形辊作为板料成形工具,通过控制上下成形辊的辊缝分布,使板料在辊压过程中同时产生横向弯曲变形与不均匀的纵向延伸,导致纵向弯曲变形,形成双曲度的曲面.随着成形辊的转动,板料连续变形,从而连续成形出三维曲面.本文阐明了连续辊压成形中的曲面形成机制,通过对连续辊压过程的理论分析,建立了控制辊压弯曲变形过程的基本方程;基于对变形及材料模型等方面的简化,得到了纵向弯曲变形的计算公式,并给出了辊压压缩率及辊缝的设计方法,分析了辊压压缩率及板料宽度等对纵向弯曲曲率的影响规律.典型曲面件的成形实验及成形结果的测量与分析表明,连续辊压成形方法可得到精度比较好的成形效果.     

拦截弹制导的微分几何建模

相对于直接在笛卡尔坐标系内对质点运动进行分解而言,使用微分几何原理对质点的运动进行分析是一种较为巧妙的方法。本文基于古典微分几何原理,对拦截弹的制导进行了建模研究。首先,分析了弹目相对视线的运动规律,建立了视线旋转坐标系提出了视线曲率与挠率的概念,得到了视线运动方程.并将视线运动方程与弹目相对运动相结合,构造了新的弹目相对运动方程。其次,通过研究发现,在视线旋转坐标系内存在视线瞬时旋转平面,可以在该平面内构造具有三维拦截能力的二维制导律。空间真比例导引律（TPN）可以不加近似地直接引入视线瞬时旋转平面,成为降维TPN。同时通过研究在视线瞬时旋转平面内对目标机动加速度进行补偿的方法,可以得到新的修正比例导引律（APN）系列和视线角加速度制导律（AAG）系列。再次,提出了视线瞬时旋转平面内制导律的微分几何制导指令,与Chiou和Kuo所提出的微分几何制导律进行对比分析,可以发现该制导律是本文的一种特例,并且微分几何制导指令将降低视线瞬时旋转平面内制导律的性能。最后,以拦截大气层外高速机动目标为算例进行仿真分析,验证了拦截弹微分几何制导模型的有效性。     

基于相似性原理的正交各向异性板弯曲Hamilton体系

基于平面弹性与板弯曲之间的相似性原理及混合能变分原理,进一步将Hamilton体系引入到正交各向异性板弯曲问题之中. 于是,与平面弹性问题相类似,许多有效的数学物理方法如分离变量法和本征函数展开法等可应用于正交各向异性板弯曲问题. 从而可直接给出矩形板问题的分析解,扩大了解析求解的范围. 此方法与传统的半逆法有着本质上的区别,作为其应用,对两侧边固支的正交各向异性板进行了具体的分析与求解,结果表明此方法是十分有效和精确的.     

并联机床的非线性特性及其在插补精度分析中的应用

应用微分几何的观点研究了并联机床关节空间输入向量与工作空间输出向量之间的运动学非线性特性. 提出了应用并联机构正解解轨迹的曲率, 对解轨迹的弯曲和等间距输入映射到解轨迹上的不等间距输出的非线性程度进行度量的方法. 通过对并联机构非线性引起的插补误差的分析, 给出了这种非线性曲率度量方法在涉及并联机构非线性的分析中的应用实例. 以并联机床VAMT1Y为例进行了分析计算, 并与正解数值算法得出的结论进行了比较研究.     

基于并联集成光纤布拉格光栅的温度不敏感矢量弯曲传感器

本文提出一种利用飞秒激光逐线法制备并联集成光纤光栅阵列的技术,该光纤光栅阵列中的每个光纤光栅被制备在多模光纤纤芯轴向的相同位置但是径向的不同方位.利用该光纤光栅阵列实现了温度不敏感的矢量弯曲传感器,该传感器不仅可以实现弯曲曲率的测量,而且可以实现任意弯曲方向的判定.通过引入等效光纤光栅的解调方法,即对光纤光栅的反射波长变化做差分运算克服了该传感器弯曲和温度之间的交叉敏感问题,同时将传感器的弯曲灵敏度提高了几乎一倍,从而极大地提高了弯曲传感器的分辨率.因此,该矢量弯曲传感器可实现智能工程结构的弯曲曲率和弯曲方向的实时监测.     

一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性，建立石膏角砾岩的损伤流变模型；推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式，结合初应变法的基本原理，分析模型的有限元求解过程；用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析，有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好，表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

三维曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程

随着钻井技术的不断进步, 油气井已由早期的铅直井发展成了当今的斜直井, 水平井, 平面曲井, 甚至三维空间曲线形状曲井. 井内钻柱屈曲性能的研究对钻井工程的成败尤为重要, 迫切需要建立分析三维曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程. 本文基于Love的空间弯扭杆平衡方程, 考虑到井壁的径向约束条件, 导出了一套用于三维曲井内钻柱非线性屈曲分析的平衡方程. 公式引入了三维曲井的井眼轴线曲率和挠率所带来的影响. 对于径向受井壁约束的钻柱, 上端同时作用有轴向压力和扭矩, 并计及自重, 给出了非线性屈曲分析平衡方程的详细推导过程. 值得注意的是, 现有文献中用于分析直井和平面曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程, 可由三维空间曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程退化得到. 期望本文导出的平衡方程能为工程上三维曲井内钻柱的非线性屈曲分析提供理论基础.     

乙醇热解制备C/C复合材料工艺及组织结构研究

以整体碳毡为预制体,无水乙醇为前躯体,N2做为载气和稀释气,在负压条件下,沉积温度为1050~1200°C,采用压力梯度ICVI工艺制备出C/C复合材料制品,采用偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜分析材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明：制备的C/C复合材料基体组织结构在1050°C条件下为中织构与高织构并存的组织,当沉积温度上升为1100~1200°C时,热解碳为均一的高织构组织.制备试样的弯曲破坏应力应变曲线及断口形貌分析表明：断裂特征受热解碳与基体界面结合强弱的影响,弯曲断口以纤维断裂、纤维拔出为主,材料具有假塑性断裂特征,并且随着沉积温度的提高,热解碳基体与纤维的界面结合逐渐增强,断裂方式由假塑性断裂向脆性断裂逐渐转变.     

超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能理论研究

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）无论在拉伸还是弯曲荷载作用下都表现出明显的应变硬化特征并且其极限拉伸应变稳定地达到3%以上,同时将传统水泥基材料在单轴抗拉荷载下单一裂纹的宏观开裂模式转化为多条细密裂纹的微观开裂模式,并且在极限荷载时其平均裂缝宽度仅为60μm.依据功能梯度这一概念,利用其优秀的裂缝控制能力,将普通钢筋混凝土梁的受拉区纵向钢筋周围部分混凝土替换为UHTCC,开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁受弯性能的研究工作,先后完成了受弯理论分析、无腹筋复合长梁实验研究、试验研究与理论分析验证对比、裂缝控制分析等方面研究.结果表明,使用UHTCC控裂的功能梯度复合梁不仅承载力较普通钢筋混凝土梁有所提高,并且能够有效地防止钢筋锈蚀破坏的发生,从而提高结构的耐久性.对整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展进行了探讨,并按照弹性理论给出了正截面受弯各阶段内力分析、加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定,以及跨中挠度、截面延性指标的计算,同时通过试验结果对理论公式进行了验证.     

各向异性开孔弹性泡沫的压缩大变形分析与模拟

通过将规则Kelvin模型沿某一方向伸长,而保持与其垂直方向的原有尺寸不变,得到了结构各向异性的胞体模型;然后,利用其在整个空间具有的周期性和对称性得到了简化后的周期性结构单元,并类似于已有文献中的做法,采用半支柱求解单元和弹性挠曲理论来分析其力学行为,获得了沿胞体伸长以及垂直于胞体伸长两个不同方向上的应力、应变的理论表达式和相应的压缩应力-应变曲线;并且,利用有限元模拟方法对上述理论预测结果进行了验证.结果表明:在应变不太大时,理论预测与有限元数值模拟结果非常接近,证明了理论分析的有效性;各向异性比对泡沫材料的力学性能影响显著,随着各向异性比的增加,在相同应变下,压缩应力在胞体伸长方向得到提高,而在垂直于胞体伸长方向则表现为下降.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

倾转旋翼机前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统气弹稳定性分析

倾转旋翼机是一种具有普通直升机垂直起降与空中悬停能力,又兼备螺旋桨式固定翼飞机高速远程巡航能力的新型飞行器.由于旋翼与机翼之间复杂的动力学耦合关系,在前飞状态下系统的动力学稳定性随着前飞速度的提高而降低,从而限制了倾转旋翼机飞行速度的提高.针对机翼具有弹性弯扭耦合特性的倾转旋翼机系统,建立了其前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统的气弹稳定性分析模型.利用Boeing试验模型的参数对倾转旋翼机前飞状态下的气弹稳定性进行计算,分析了机翼弹性弯扭耦合特性对气弹稳定性的影响.结果表明,机翼向上弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性可以显著提高机翼垂向模态的失稳速度,而机翼向前弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性则对提升机翼弦向模态的失稳速度非常有利.     

基于偶应力理论涂层半平面的二维滑动摩擦接触分析

本文基于偶应力理论,研究了平面应变状态下刚性压头与均匀涂层半平面之间的二维滑动摩擦接触问题.该理论通过引入材料特征长度来描述微结构材料的尺寸效应.采用傅里叶积分变换方法将此尺寸依赖的接触问题转化为第二类Cauchy奇异积分方程.然后,通过数值求解该类方程来确定涂层表面法向应力和面内应力的分布.详细讨论了尺度参数、剪切模量比和摩擦系数对表面法向接触应力和面内应力的影响.结果表明基于偶应力理论得到的接触应力明显偏离基于经典弹性理论预测的结果,而且表现出对材料特征长度的强烈依赖性.     

大面纳米积压印揭开式脱模建模与模拟

大面积纳米压印是一种高效、低成本和批量化制造大面积微纳米结构的方法,已经被看作最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一.脱模是当前大面积纳米压印所面临的最大挑战性问题,是制约大尺寸晶圆级纳米压印进入工业化应用最大的瓶颈.＂揭开＂式脱模已经被认为是实现大面积纳米压印最为有效的一种脱模方法,本文开展了大面积纳米压印揭开式脱模理论建模和数值模拟的研究.基于应变能法,并结合脱模过程中能量的守恒,建立了＂揭开＂式脱模预估脱模力理论模型.以光栅图形垂直式脱模为例,建立了目前工业界广泛采用的气体辅助揭开式脱模在脱模过程中所需气压脱模力理论模型.利用ABAQUS工程模拟软件,揭示了模具材料特性、特征图形几何参数对于＂揭开＂式脱模影响规律.该研究为大面积纳米压印工艺奠定重要理论基础,并为晶圆级纳米压印工艺优化和压印装备开发与性能的改进提供理论基础和方向性指导.     

弯曲河流水流动力稳定性特征研究

弯曲型河流是自然界最为常见的河流形态,其水流特性以及河床泥沙的作用特性,对河流蠕动发展具有重要的影响,是河流动力学中研究的重要课题.弯曲河道中水流流态的转化涉及河床形态和河势单元的发展模式,包括：弯曲河道三维拟序涡与二次环流产生的条件;不同水流条件下拟序涡尺度分级情况;大尺度紊流结构与河湾自适应、互选择性,等等.本文以弯曲河流明渠为背景,首先对其层流转捩到紊流的特性进行研究,与顺直河道相比,其稳定中性曲线前移,失稳临界雷诺数降低,流动失稳过程中,对扰动波数的响应范围加大,层流更容易失稳.这些研究结果是传统流动稳定性理论中所没有的,本文的研究结果也弥补了这方面的不足和空白.     

倾转旋翼机在转换飞行时的旋翼尾迹弯曲非定常动态入流模型

倾转旋翼机在旋翼倾转过程（即转换飞行）中的气动力、动力学响应及气弹耦合问题异常复杂. 传统的准定常假设模型已经不能反映旋翼倾转过程中的非定常气动问题, 基于涡流理论的CFD方法虽然能够得到较好的结果, 但需要耗费大量的计算资源. 本文以直升机的Peters-He旋翼动态入流模型为基础, 首先建立了倾转旋翼机的旋翼尾迹弯曲动态入流模型, 然后结合ONERA非定常气动力模型, 建立了一个倾转旋翼机在旋翼倾转过程中的旋翼尾迹弯曲非定常动态入流模型, 并用孤立旋翼大机动上仰飞行的实验数据验证了本模型的正确性. 采用本文建立的倾转旋翼动态入流模型计算了一个倾转旋翼机模型在旋翼倾转过程中旋翼的动力学响应, 响应规律符合物理解释.     

常重力和低重力条件下气液两相流实验研究

实验研究了常重力和低重力条件下水平方管内水气两相流型特征及其相互转换条件, 实验中均观察到了泡状流、弹状流、弹-环状过度流及环状流等流型. 发展了半理论Weber数模型以计入截面形状对弹状流-环状流转换的影响, 较好预测了实验观测结果. 此外, 滑移流率模型可成功预测大Froude数水平两相泡状流-弹状流间的转换边界.     

泡沫铝／环氧树脂复合材料压缩力学行为的仿真分析

根据所制备的开孔泡沫铝／环氧树脂复舍材料的结构特点，对其材料结构进行了合理的简化。在此基础上采用ANSYS／KS—DYNA软件对该材料的压缩力学行为进行有限元仿真分析；得出了该材料在压缩过程中的变形和失效过程以及应力-应变关系随其结构参数（泡沫铝孔径、泡沫铝相等密度）及应变率的变化规律。如上规律与已有文献的物理实验研究结果相一致，从而证明了该仿真方法的合理可行性，为泡沫铝孔洞填充复合材料的性能研究提供了一种新方法。